Bild 01: Mehrachsige Roboterarme für Industrie 4.0 nutzen integrierte Sensoren und Echtzeit-Feedback, um präzise und schnell zu arbeiten. (Quelle: Igus)
Roboter nutzen für Industrie-4.0-Anwendungen moderne Sensoren, um sicher und effizient in den Produktionshallen zu arbeiten (Bild 1). Trotz widriger Bedingungen, wie z. B. wechselnde Lichtverhältnisse, Partikel in der Luft und mechanische Vibrationen, müssen diese Sensoren schnell Echtzeitdaten verarbeiten, um menschliches Personal, mobile Roboter und sich schnell bewegende Montagelinien genau zu verfolgen.
Moderne Sensorsysteme für dynamische Fabrikumgebungen
Roboterplattformen nutzen mehrere Sensorarten, um räumliches Erfassen und Reaktionsfähigkeit im Millisekundenbereich zu realisieren. Algorithmen zur Sensorfusion kombinieren diese Eingaben, um ein kohärentes Echtzeitmodell der Betriebsumgebung des Roboters zu erstellen. Bildverarbeitungssysteme sorgen für die Erkennung und Ortung von Objekten, während sicherheitsrelevante Laserscanner die Sperrzonen auf Verstöße gegen Vorschriften überwachen. Laufzeitsensoren mit geringer Latenz erfassen dreidimensionale räumliche Daten, die reaktive Pfadanpassungen und kontextbezogenes Verhalten ermöglichen.
Roboter verlassen sich auch auf interne und kontaktbasierte Sensoren, um die Bewegungssteuerung und Interaktion zu verfeinern. Taktile Sensoren – darunter Kraft-/Drehmomentsensoren und Endschalter – liefern Rückmeldungen für Greif-, Montage- und Konformitätsaufgaben. Induktive, kapazitive und Ultraschall-Näherungssensoren erkennen nahegelegene Objekte berührungslos und in der Regel mit geringerer Reichweite als Time-of-Flight-Systeme (ToF-Systeme). Encoder und Potenziometer erfassen die Gelenkposition und -geschwindigkeit für eine präzise Bewegungsplanung, während Trägheitsmesseinheiten die Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit messen, um die Orientierung und das Gleichgewicht zu erhalten. Schließlich überwachen elektrische Sensoren Strom sowie Spannung, um die Motorlast zu bewerten und Fehler zu erkennen.
Normenbasierte Sicherheit für die Industrierobotik
Roboter für Industrie 4.0 müssen strenge internationale Sicherheitsstandards erfüllen, um Menschen und Geräte zu schützen. Die Normenreihen DIN EN ISO 13849 [4], DIN EN IEC 62061 (VDE 0113-50:xx-xx) [5] und DIN EN ISO 10218 [6] definieren die Anforderungen an die funktionale und steuerungstechnische Sicherheit von Robotersystemen in der Produktion.
Die Normenreihe DIN EN ISO 13849 beschreibt die Entwurfs- und Validierungskriterien für sicherheitsrelevante Steuerungskomponenten. Sie folgt einer risikobasierten Methodik und verwendet Leistungsstufen (PL: Performance Levels) zur Klassifizierung der Systemintegrität auf der Grundlage der Schwere der Gefahr, der Häufigkeit der Exposition und der möglichen Vermeidung.
Die Normenreihe DIN EN IEC 62061 (VDE 0113-50:xxxx) befasst sich mit der funktionalen Sicherheit elektrischer, elektronischer und programmierbarer Steuerungssysteme und wendet Sicherheitsintegritätsstufen (SIL) an, um die erforderliche Risikominderung zu quantifizieren. Zusammen definieren diese Normenreihen, wie Sensor- und Steuerungsfunktionen in sicherheitskritischen Anwendungen entwickelt, implementiert und verifiziert werden müssen.
Die Normenreihe DIN EN ISO 10218 wendet diese Grundsätze speziell auf Industrieroboter an. Sie umfasst Sicherheitsanforderungen für die Konstruktion von Robotern, die Auslegung von Arbeitszellen, die Systemintegration und den Betrieb. Dazu gehört der Einsatz von sicherheitsrelevanten Sensoren für Notausschaltung, Absicherung und Bewegungsüberwachung. Diese Komponenten müssen bestimmte Leistungs- und Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllen, die in der Regel durch strukturierte Tests und Validierung nachgewiesen werden.
Die genannten Normenreihen bilden den Kern der Sicherheitsstandards für Roboter. Weitere Normen, darunter die DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1):2019-06 [7] für elektrische Sicherheit und die ISO/TS 15066:2016 [8] für die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter, erweitern den grundlegenden Rahmen für den sicheren Einsatz und die Integration.
Integrierte Sicherheitssysteme für die Mensch-Roboter-Kollaboration
Fabrikbetreiber setzen Sicherheitslösungen von Anbietern wie Sick und Eaton ein, um die Normen für funktionale Sicherheit und Maschinensicherheit zu erfüllen. Das System Safe E-Pro von Sick unterstützt beispielsweise die Echtzeitsteuerung von Sicherheitsfunktionen bei stationären und mobilen Robotern mit integrierten Sensoren, Steuerungen und Aktoren. Der Sicherheitslaserscanner Microscan3 – eine Schlüsselkomponente des Systems – ermöglicht eine adaptive, situationsabhängige Bewegungserkennung in dynamischen Umgebungen (Bild 2).
Bediener implementieren außerdem den End-of-Arm-Safeguard (EOAS) von Sick, um ein dynamisches Schutzfeld um die Roboterwerkzeugköpfe aufrechtzuerhalten. EOAS nutzt die ToF-Technologie, um eine sichere, berührungslose Mensch-Roboter-Kollaboration mit Reaktionszeiten unter 110 ms zu ermöglichen. Als Ergänzung zu diesen automatisierten Systemen werden manuelle und perimetrische Sicherheitskomponenten angeboten. Der Not-Aus-Schalter ES21 ermöglicht dem Bediener ein schnelles Anhalten der Maschine im Notfall, während der berührungslose Sicherheitsschalter STR1 die RFID-Technologie für eine manipulationssichere Überwachung der Schutzeinrichtung nutzt und hohe Codierungsstufen sowie die Einhaltung der DIN EN ISO 14119:2025-09 [9] unterstützt.